半潛平臺碼頭臨時系泊方案設(shè)計

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

常規(guī)深水油氣開發(fā)設(shè)施有浮式生產(chǎn)儲油裝置(FPSO)、張力腿平臺(TLP)、半潛平臺(SEMI)及深吃水立柱平臺(SPAR)等[1]，目前國內(nèi)已經(jīng)可以完成FPSO及半潛平臺這2種浮式結(jié)構(gòu)物設(shè)計建造工作，以半潛平臺作為研究對象，針對其碼頭調(diào)試期間臨時系泊問題，通過現(xiàn)場調(diào)研、數(shù)值模擬等方式，探索常規(guī)海況及極限海況下利用現(xiàn)有資源進(jìn)行半潛平臺系泊方案設(shè)計的方法，對其中的風(fēng)險進(jìn)行預(yù)判，制定應(yīng)對措施。

1 設(shè)計基礎(chǔ)

與常規(guī)船舶碼頭系泊相比，半潛平臺碼頭系泊具有特殊性：①平臺各個方向受風(fēng)面積均較大，對纜繩布置要求更高[2]；②平臺靠岸一側(cè)立柱或者旁通上可能存在設(shè)備結(jié)構(gòu)，不能直接與碼頭相靠，需要設(shè)置隔離駁等防撞設(shè)施；③如果平臺調(diào)試時間較長且不具備錨地避臺條件，需要特別設(shè)計平臺碼頭避臺方案，制定應(yīng)急措施。

半潛平臺船體信息見表1。

目前系泊碼頭水深為8.5 m，通過現(xiàn)場調(diào)研確認(rèn)碼頭岸吊與半潛平臺系纜區(qū)域有干涉，實際作業(yè)時需進(jìn)拆除移位。

針對半潛平臺臨時系泊期間設(shè)計抵御環(huán)境條件能力，考慮風(fēng)速、波高、流速3方面因素。根據(jù)海域論證使用報告書，由于海西半島掩護(hù)，外海波浪不能直接傳入海西灣，只能折射或者繞射進(jìn)入，進(jìn)入灣內(nèi)的波浪最大波高H1/10為1.2～1.4 m。碼頭附近輪渡站流速為0.4 m/s，風(fēng)速需要綜合考慮常規(guī)風(fēng)速下作業(yè)系泊需求及極限工況下抗臺系泊需求，選取這2個典型工況進(jìn)行設(shè)計分析。半潛平臺臨時系泊環(huán)境條件見表2。

表1 半潛平臺船體基本信息 m

表2 臨時系泊環(huán)境條件

半潛平臺碼頭臨時系泊方案主要分為4個部分。

1)碼頭系泊能力評估及需求。

2)常規(guī)海況及極限海況臨時系泊方案設(shè)計。

3)臨時系泊系統(tǒng)所需設(shè)備或設(shè)施需求。

4)現(xiàn)場施工操作建議。

根據(jù)項目設(shè)計需求及場地概況，整理設(shè)計流程見圖1。

圖1 半潛平臺臨時系泊方案設(shè)計流程

2 設(shè)計原理

2.1 環(huán)境載荷計算

2.1.1 波浪載荷

波浪為不規(guī)則波，時域下一階波浪力可以表示為

(1)

式中：h1(τ)為線性脈沖函數(shù)；ζ(t-τ)為波浪的自由液面。

由輻射勢引起的波浪力在時域中可按下式表示[3]。

(2)

式中：卷積*表示t時刻前由結(jié)構(gòu)物運(yùn)動引起的波浪運(yùn)動產(chǎn)生的波浪力記憶效應(yīng)；ξ為物體運(yùn)動；R(t)稱為時延函數(shù)，其與輻射勢頻域解關(guān)系為

(3)

式中：C(ω)為波浪阻尼系數(shù)。

2.1.2 風(fēng)載荷

采用國際海事論壇OCIMF推薦的風(fēng)力公式，通過風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)獲取風(fēng)力系數(shù)計算風(fēng)載荷，如式(4)～(6)所示[4]，將軟件風(fēng)力計算結(jié)果與風(fēng)洞實驗結(jié)果進(jìn)行對比，利用模型實驗結(jié)果對軟件模型各方向輸入風(fēng)力系數(shù)進(jìn)行校正，保證軟件風(fēng)力計算值與實驗相一致。

(4)

(5)

(6)

式中：CXW、CYW為X、Y方向上風(fēng)力系數(shù);CXYW為風(fēng)力矩系數(shù);VW為風(fēng)速；AT、AL和LBP分別為船舶橫向受風(fēng)面積，縱向受風(fēng)面積和垂線間長。

2.1.3 流載荷

利用風(fēng)洞試驗結(jié)果對軟件模型計算的流載荷進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，流載荷計算為

(7)

(8)

(9)

式中：CXC、CYC為X、Y方向流力系數(shù)；CXYC為流力矩系數(shù)；VC為流速；T為船體吃水。

2.2 系泊纜計算模型

半潛平臺船體在風(fēng)浪流等環(huán)境力作用下發(fā)生運(yùn)動，系泊纜繩受船體運(yùn)動影響發(fā)生變形產(chǎn)生張力，纜繩張力與變形關(guān)系并非簡單線性關(guān)系，采用Wilson公式進(jìn)行計算[5-6]。

(10)

式中：CP為彈性系數(shù)；d為纜繩直徑；ε為纜繩應(yīng)變；m為指數(shù)。

2.3 橡膠護(hù)舷模擬

船體與隔離駁之間通過橡膠護(hù)舷壓縮吸能降低兩者碰撞力，保護(hù)船體結(jié)構(gòu)，橡膠護(hù)舷剛度具有非線性，見圖2。

圖2 隔離駁橡膠護(hù)舷剛度

橡膠護(hù)舷受力由下式計算[7]。

(11)

式中：K為護(hù)舷彈性系數(shù)；ΔL/L為護(hù)舷相對變形。

3 臨時系泊方案設(shè)計方案

由于碼頭海域內(nèi)波高及流速較小，半潛平臺運(yùn)動及受力主要受風(fēng)載荷影響，根據(jù)風(fēng)速將臨時系泊方案劃分為常規(guī)方案(6～8級風(fēng))及極限方案(10～12級風(fēng))。常規(guī)方案下需要在系泊中間區(qū)域預(yù)留一定操作空間，便于碼頭設(shè)備機(jī)械出入調(diào)試，風(fēng)速增加時，各方案纜繩布置需保持連續(xù)性，通過增連纜繩抵抗惡劣環(huán)境條件，降低操作風(fēng)險。取6級風(fēng)及12級風(fēng)2個典型方案進(jìn)行分析。

半潛平臺臨時系泊坐標(biāo)系及環(huán)境情況見圖3，BCS為碼頭地錨坐標(biāo)系，水平原點(diǎn)X及Y軸位于最左端A系纜柱中心處，垂向原點(diǎn)始于海圖基準(zhǔn)面，半潛平臺中心點(diǎn)X向距離A柱170 m，Y向為59.87 m，船體坐標(biāo)系HCS原點(diǎn)位于船底形心處。

圖3 半潛平臺臨時系泊坐標(biāo)系及環(huán)境情況示意

碼頭前沿系纜柱除A柱安全工作載荷SWL為2 000 kN外，其余纜繩所連接碼頭前沿系纜柱安全工作載荷為1 000 kN，碼頭后沿所有系纜柱安全工作載荷均為2 000 kN。

3.1 半潛平臺臨時系泊常規(guī)方案(6級風(fēng))

常規(guī)海況臨時系泊方案見圖4，共連接13根纜繩，采用超高分子量聚乙烯I型纜繩，參數(shù)見表3。

表3 臨時系泊纜繩參數(shù)

圖4 常規(guī)海況臨時系泊方案(6級風(fēng))

6級風(fēng)速下破斷風(fēng)險可控，僅統(tǒng)計完整狀態(tài)下不同流向及高低潮位受力最大值，受力結(jié)果見表4。

表4 常規(guī)海況下纜繩受力最大值統(tǒng)計(6級風(fēng))

由表4可知，6級風(fēng)速下，該方案纜繩受力較小，纜繩受力最大值僅為401.8 kN，約為10%破斷力，系泊方案滿足規(guī)范要求[8]。

3.2 半潛平臺臨時系泊極限方案(12級風(fēng))

以6級風(fēng)速下臨時系泊方案作為基本方案，隨著風(fēng)速增加，系泊方案所需纜繩隨之增加，方案設(shè)計中避免在高風(fēng)速下解脫纜繩操作，因此,每個風(fēng)級系泊方案在前方案基礎(chǔ)上增連系泊纜，保障施工安全，見圖5，12級風(fēng)速下臨時系泊方案共系有19根纜繩，各風(fēng)級對應(yīng)的纜繩變化可見。

圖5 半潛平臺臨時系泊極限方案(12級風(fēng))

模擬臨時系泊極限海況方案見圖6。

圖6 極限海況臨時系泊計算模型

隔離駁由于尺寸及受力較小，并由現(xiàn)場系泊于其他系纜柱上(圖中未體現(xiàn))，可在軟件中進(jìn)行簡化處理，模擬為僅受壓非線性彈簧。在離岸風(fēng)環(huán)境下，風(fēng)從平臺陸地一側(cè)吹來，波浪作用并不明顯，而沿岸風(fēng)對系泊纜繩影響最大[9-10]，碼頭由于半島遮蔽，同時碼頭沿線建造時平行于波流方向，計算中將風(fēng)向作為主控因素進(jìn)行360°全范圍輸入，將波浪和海流簡化處理為0°和180°方向，計算統(tǒng)計完整工況及破斷工況纜繩最大受力見表5。

完整工況下纜繩最大受力為1 490 kN，破斷工況下纜繩最大受力為1 823 kN，安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。表5中數(shù)據(jù)顯示纜繩MR10受力較大，該編號纜繩長度較短，同方向纜繩在船體運(yùn)動拉伸作用下伸長率更高，故受力較大，設(shè)計中應(yīng)盡量避免在受力較大纜繩方向上布置短纜繩。

極限海況下除了需要校核纜繩及受力系纜柱受力之外，為保證系泊安全，還需評估平臺觸底風(fēng)險、隔離駁與立管保護(hù)架碰撞風(fēng)險。通過定義各立柱角陽極最低點(diǎn)位置，在時域計算中統(tǒng)計其最低點(diǎn)，獲取船底與海底泥面最小間隙，垂向間隙觀察點(diǎn)位置見圖7。

表5 完整工況及破斷工況纜繩最大受力(12級風(fēng))

圖7 各立柱角垂向間隙觀察點(diǎn)位置

正浮靜止?fàn)顟B(tài)下，各個立柱角陽極最低點(diǎn)位置為-10.45 m(BCS坐標(biāo)系)，統(tǒng)計360°風(fēng)向作用下動力計算各點(diǎn)最低位置見表6。

表6 動力計算立柱角陽極最低點(diǎn)位置統(tǒng)計(正浮)

表6數(shù)據(jù)顯示,立柱北側(cè)在風(fēng)力作用下傾斜角度較大，西北側(cè)立柱最低點(diǎn)為-14.8 m，碼頭預(yù)計清淤水深15.5 m，僅由0.7 m間隙，為增加船底與海底泥面凈間隙，通過對比計算，可以在臺風(fēng)來臨前調(diào)整船體浮態(tài)，使平臺繞水線面W-E軸線逆時針旋轉(zhuǎn)0.3°，見圖8。

圖8 臺風(fēng)狀態(tài)下船體浮態(tài)調(diào)整示意

調(diào)整浮態(tài)后，統(tǒng)計360°風(fēng)向作用下動力計算各點(diǎn)最低位置見表7。

表7 動力計算立柱角陽極最低點(diǎn)位置統(tǒng)計(傾斜)

統(tǒng)計顯示，通過預(yù)調(diào)整船體浮態(tài)，可以有效增加船底與海底間隙，保障系泊安全。

在隔離駁與船體接觸靠近立管保護(hù)架一側(cè)定義水平運(yùn)動觀察點(diǎn)，見圖9。

圖9 水平觀察點(diǎn)位置示意

時域計算水平觀察點(diǎn)與立管保護(hù)架最小水平間距結(jié)果見表8。

表8 水平觀察點(diǎn)與立管保護(hù)架最小水平間距

隔離駁與立管保護(hù)架水平間隙時域計算結(jié)果最小值為4.73 m，滿足安裝需求。

4 臨時系泊操作建議

半潛平臺各方向受風(fēng)面積較大，碼頭臨時系泊纜繩選取及布置應(yīng)與極限海況方案相匹配，從低風(fēng)速方案至高風(fēng)速方案變化應(yīng)盡量避免解脫纜繩操作，保證各方案具有連續(xù)性。極限海況作用下針對立柱角間隙不足可以通過調(diào)整船體浮態(tài)進(jìn)行改善。

針對碼頭系泊纜繩交叉可能產(chǎn)生磨損，可以在纜繩易摩擦位置覆蓋保護(hù)套，定期檢查更換。

潮汐變化對纜繩長度影響通常可以使用纜繩長度自適應(yīng)調(diào)節(jié)設(shè)備，或使用纜繩受力監(jiān)測設(shè)備及時對受力較大纜繩進(jìn)行人工調(diào)整。若不具備上述條件，則需每日定時多次巡檢，通過纜繩張緊狀態(tài)及時調(diào)整纜繩長度。

半潛平臺碼頭臨時系泊設(shè)計及現(xiàn)場施工受限因素較多，需設(shè)計方與現(xiàn)場時時溝通，將理論設(shè)計與現(xiàn)場作業(yè)經(jīng)驗反復(fù)交叉優(yōu)化得到最終可實施方案。